Korzystając z uczenia maszynowego naukowcy odkryli w cienkim dysku Drogi Mlecznej starożytne gwiazdy, które uformowały się mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu.
Źródło: Zdjęcie tła: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC/Caltech)
Uczenie maszynowe rzuciło nowe światło na historię Drogi Mlecznej. Odkrycie, które zaskoczyło naukowców, dotyczy ewolucji naszej Galaktyki. Dzięki analizie danych z misji Gaia, odkryto dużą liczbę starożytnych gwiazd, które poruszają się po orbitach podobnych do orbity naszego Słońca. Te gwiazdy uformowały cienki dysk Drogi Mlecznej już mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu, czyli kilka miliardów lat wcześniej niż dotychczas sądzono.
Droga Mleczna to galaktyka o złożonej strukturze, składającej się z kilku głównych elementów: halo, zgrubienia centralnego, poprzeczki, grubego dysku i cienkiego dysku. Większość gwiazd w naszej Galaktyce znajduje się w cienkim dysku, który charakteryzuje się zorganizowanym ruchem obrotowym wokół centrum Drogi Mlecznej. Gwiazdy w średnim wieku, takie jak nasze Słońce, liczące 4,5 miliarda lat, należą właśnie do tego cienkiego dysku. Uważa się, że jego formowanie rozpoczęło się około 8 do 10 miliardów lat temu.
Archeologia galaktyczna ma na celu poznanie historii formowania się Drogi Mlecznej. Aby to osiągnąć, niezbędne są szczegółowe mapy naszej Galaktyki, które przedstawiają wiek, skład chemiczny i ruchy gwiazd. Te mapy, nazywane chrono-chemo-kinematycznymi, pozwalają nam odtworzyć historię Drogi Mlecznej. Tworzenie takich map jest jednak wyzwaniem, ponieważ wymaga ogromnych zbiorów danych o gwiazdach, których wiek musi być dokładnie określony.
Jednym ze sposobów na poznanie wczesnych etapów formowania się Drogi Mlecznej jest badanie gwiazd bardzo ubogich w metale. Te gwiazdy są bardzo stare, ponieważ powstały w czasach, gdy Wszechświat składał się głównie z wodoru i helu. Wtedy jeszcze nie doszło do powstania i rozprzestrzeniania się cięższych pierwiastków, które tworzą się w kolejnych pokoleniach gwiazd. Gwiazdy ubogie w metale stanowią więc okno na wczesną Drogę Mleczną.
Międzynarodowy zespół astronomów z Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP) odkrył zaskakujące zjawisko podczas badania gwiazd w sąsiedztwie Słońca, w promieniu około 3200 lat świetlnych. Analizując dane z misji Gaia, naukowcy zauważyli znaczną liczbę bardzo starych gwiazd na orbitach cienkiego dysku Galaktyki. Wiek tych gwiazd szacuje się na ponad 10 miliardów lat, a niektóre nawet na ponad 13 miliardów lat! Co ciekawe, te starożytne gwiazdy wykazują różne poziomy zawartości metali. Niektóre są bardzo ubogie w metale, co jest zgodne z oczekiwaniami dla tak starych gwiazd. Jednak inne mają dwukrotnie większą zawartość metali niż nasze znacznie młodsze Słońce! To odkrycie sugeruje, że we wczesnych etapach ewolucji Drogi Mlecznej nastąpiło szybkie wzbogacenie w metale.
Te starożytne gwiazdy w dysku sugerują, że formowanie się cienkiego dysku Drogi Mlecznej rozpoczęło się znacznie wcześniej niż sądzono, o około 4-5 miliardów lat – powiedział Samir Nepal z AIP i pierwszy autor badania. Badania te podkreślają również, że nasza Galaktyka miała intensywne procesy gwiazdotwórcze we wczesnych okresach, co doprowadziło do bardzo szybkiego wzbogacenia w metale w wewnętrznych regionach i uformowania się dysku. Odkrycie to dopasowuje oś czasu formowania się dysku Drogi Mlecznej do galaktyk przesuniętych ku czerwieni obserwowanych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) i radioteleskop Atacama Large Millimeter Array (ALMA). Wskazuje to, że zimne dyski mogą tworzyć się i stabilizować bardzo wcześnie w historii Wszechświata, co zapewnia nowy wgląd w ewolucję galaktyk.
Nasze badania sugerują, że cienki dysk Drogi Mlecznej mógł uformować się znacznie wcześniej niż sądziliśmy, a jego powstanie jest silnie związane z wczesnym wzbogaceniem chemicznym najbardziej wewnętrznych regionów naszej Galaktyki – powiedziała Cristina Chiappini. Połączenie danych z różnych źródeł i zastosowanie zaawansowanych technik uczenia maszynowego pozwoliło nam zwiększyć liczbę gwiazd o wysokiej jakości parametrach gwiazdowych, co jest kluczowym krokiem, który doprowadził nasz zespół do tych nowych spostrzeżeń.
Osiągnięcie tego wyniku było możliwe dzięki trzeciemu wydaniu danych z misji Gaia. Zespół naukowców przeanalizował parametry ponad 800 000 gwiazd wykorzystując nowatorską metodę uczenia maszynowego. Ta metoda łączy dane z różnych źródeł, co pozwala na uzyskanie bardziej precyzyjnych informacji o gwiazdach, w tym o ich grawitacji, temperaturze, zawartości metali, odległościach, kinematyce i wieku.
W przyszłości ta sama technika uczenia maszynowego zostanie wykorzystana do analizy milionów widm zebranych w ramach przeglądu 4MIDABLE-LR. Do tego celu posłuży 4-metrowy teleskop spektroskopowy o wielokrotnym obiekcie (4MOST), który rozpocznie działalność w 2025 roku.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
AIP